电感辅助激光增材制造钛基复材工艺实验及力学性能分析

作     者：刘骁 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马广义

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：激光增材制造 电感辅助 钛基复合材料 微观组织 力学性能 

摘      要：随着航空航天工业的快速发展,航空发动机中的关键零部件将面临更加严峻的服役环境,而新材料、新工艺和新结构对于航空发动机性能提升的贡献率将超过50%。钛基复合材料(Titanium Matrix Composites TMC)作为具有较大发展潜力的材料,受到了越来越多的关注,其中Ti C增强的TMC有望在发动机风扇、高压压气机叶片和机壳等航空发动机关键零部件中取代镍基高温合金。虽然Ti C的掺入有效提高了钛合金的硬度,但组织中发达的脆性枝晶使得钛基复材抗拉强度降低。因此,为改善Ti C增强TC4复合材料的拉伸性能,提出了电感辅助激光增材制造(Electromagnetic Induction Assisted Laser Additive Manufacturing,EMI-LAM)技术,开展了工艺实验与有限元分析,揭示了电感辅助对于激光增材制造过程的作用机理,阐明了复合工艺、微观组织以及力学性能三者间的内在联系。具体研究内容与结论如下:(1)设计并搭建了EMI-LAM实验系统,主要包括电感加热设备选型、电感线圈设计以及机械耦合夹具设计;测量了电感辅助系统的加热特性。结果表明,电感辅助系统的预热温升速率与时间成一阶衰减指数函数关系,且在10 s后趋于稳定。当电感辅助系统加热时长达到60 s时,系统的输入电流应小于21 A。(2)开展了工艺实验,揭示了初生Ti C、结合界面等微观组织的演变行为,明确了抗拉强度的提升机制。其中分别采用LAM与EMI-LAM制备了10 wt.%Ti C增强TC4复合材料,分析了有无电感辅助下样件的宏观形貌、微观组织以及力学性能。结果表明,由LAM与EMI-LAM制备的薄壁件均具有较好的宏观形貌,但后者的厚度更大。在微观组织中均发现了初生Ti C与共晶Ti C,且初生Ti C与α-Ti具有半共格界面。但LAM试样组织中的初生Ti C为发达枝晶状,且数量较多,而EMI-LAM试样组织中出现了大量粒径约为1.5μm且分布均匀的颗粒状Ti C,而枝晶状Ti C尺寸减少,且数量减少了约26.2%。归因于颗粒状Ti C颗粒的承载强化,复材的抗拉强度从893±4.1 MPa增大到960±11.5 MPa,提升了约8%。(3)建立了EMI-LAM数值模型,揭示了电感辅助过程焦耳热与洛伦兹力对熔池的影响机制。与LAM相比,EMI-LAM过程中由于受到梯度分布焦耳热的作用,最高温度变化不大,但热作用区显著扩大。由于电感的预热-缓冷作用,熔池未凝固时,其表面中心点的最大冷却速率与最大温度梯度分别下降4.3%与1.0%。同时,固-液界面处的温度梯度减小、生长速率增大,从而增大了成分过冷度,促进颗粒状Ti C的形核。此外,电流在通过固-液界面时提高了界面稳定性,减弱了晶粒生长为枝晶的趋势。而熔池中所存在的由不均匀交变电磁力所产生的压拉力和剪切力,以及溶质驱动的重熔作用,增大了Ti C的破碎率,进而细化了粗大的DPT。熔池凝固后,归因于电感的预热-缓冷作用,其表面中心点处平均温度增大了16.4%,而最大冷却速率与最大温度梯度分别减小了4.2%与0.5%。